Магнитное поле

Содержание

1. Введение 2
2. Основная часть 3
1. История изучения магнитных явлений 4
2. Магнитное поле, свойства и характеристики 13
3. Действие магнитного поля на проводники с током. Сила Ампера 18
4. Закон Био-Савара-Лапласа 25
5. Примеры решения задач 35
3. Заключение 39
4. Литература 40

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Тема  моей работы магнитное поле. Магниты  окружают нас повсюду и широко применяются в различных сферах нашей жизни. С магнитами мы знакомимся еще в детстве. Каждый из нас, я  думаю, будучи ребенком, играл в магнитики. Это знакомство продолжается в школе  на уроках физики. Наглядность и  простота выполнения школьных экспериментов, при изучении магнитного поля, повышают интерес, делают материал доступным  для понимания и более усваиваемым. Все это сыграло немалую роль при выборе темы курсовой работы. В первой главе своей работы я расскажу об истории открытия магнитного поля, о явлениях, предшествующих его открытию и способах его создания. Во второй главе я рассмотрю непосредственно само магнитное поле, раскрою его свойства и характеристики. В третьей главе я расскажу о действии магнитного поля на проводники и рассмотрю его на примере рамки с током, находящемся в магнитном поле. В четвертой главе я расскажу о методах нахождения значения основной характеристики магнитного поля, приведу несколько примеров. Также в моей работе будет представлены опыты, подтверждающие существование магнитного поля и иллюстрирующие характер его поведения.

  Мы  привыкли к магниту и относимся  к нему чуточку снисходительно как  к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших  квартирах десятки магнитов: в  электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы - тоже магниты: биотоки, текущие  в нас, рождают вокруг нас причудливый  узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой  магнит. Солнце - жёлтый плазменный шар - магнит ещё более грандиозный. Галактики  и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование  электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов - всё это области, где требуются  грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания си,.ьных, сверхсильных, ультрасильных и ещё более  сильных магнитных полей стала  одной из основных в современной  физике и технике.

«Любящий  камень» ... Такое поэтическое название дали китайцы естественному магниту. «Любящий камень (тшу-ши), - говорят китайцы, - притягивает железо, как нежная мать привлекает своих детей». Замечательно, что у французов - народа, живущего на противоположном конце Старого  Света, мы встречаем сходное название для магнита: французское слово  «а1гпап{» означает и «магнит», и  «любящий». Сила этой «любви» у естественных магнитов незначительна, и поэтому  очень наивно звучит греческое название магнита, - «геркулесов камень». Если обитатели древней Эллады так  поражались умеренной силой притяжения естественного магнита, то, что сказали бы они, увидев на современном металлургическом заводе магниты, поднимающие глыбы в целые тонны весом! Правда, это не естественные магниты, а «электромагниты», т.е. железные массы, намагниченные электрическим током, проходящим по окружающей их обмотке. Но в обоих случаях действует сила одной и той же природы - магнетизм.

    Вещества, притягивающие железо, были известны человечеству более 2000 лет назад. Они  получили название магнитов. Постоянный магнит в форме тонкой полоски, расположенный  на плавающей в воде деревянной дощечке, поворачивается одним концом в направлении  Северного пслюса Земли, а другим - в направлении Южного. Поэтому  концы магнита так и называются северным и южным полюсами. Это  наблюдение привело к созданию компаса. Первые компасы появились в Китае. В Европе компасом стали пользоваться с XII в. В 1600г. английский физик Уильям Гильберт(1544-1 603) опубликовал большой  труд «О магните», в котором описал множество проведенных за 18 лет  опытов. Он первым пришел к заключению, что Земля сама является большим  магнитом. Казалось, что магнетизм  и электричество - две разные области, не имеющие между собой ничего общего. Дальнейшее развитие научных  знаний показало тесную связь электрических  и магнитных явлений, а созданная Максвеллом теория позволила единым образом описать все электромагнитные явления.

   После изобретения в 1800 г. источника постоянного  тока возможности экспериментаторов  значительно расширились. Первое фундаментальное  открытие было сделано в 1820г. датским  физиком Хансом Кристианом Эрстедом (1777- 1851).Убежденный в том, что электрические  и магнитные

явления взаимосвязаны, он хотел выяснить, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит. В феврале 1820г. Эрстед показывал студентам тепловое действие тока. Он поместил над магнитной  стрелкой параллельно ей прямолинейный  провод (рис.1). Стрелка могла свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При пропускании по проводу электрического тока стрелка отклонялась в сторону  и устанавливалась перпендикулярно  к проводу. При изменении направления  тока стрелка поворачивалась на 180°. То же самое происходило, когда провод переносился вниз и располагался под стрелкой. В этом эффекте Эрстед увидел подтверждение своих идей. Описание опыта вышло в свет 21 июля 1820г. Этот простой опыт произвел сильное впечатление на современников  и положил начало новой области  физики — электродинамике.

     

     Дальнейшие  исследования развивались стремительно. 11 сентября 1820г. опыт был показан  на заседании Французской академии наук. Академики спокойно разошлись, и только один из них - Андре Мари Ампер (1775-1836) - поспешил заказывать приборы для проведения новых опытов. Он был уверен, что они должны были подтвердить его догадки, сводящие магнетизм к чисто электрическим явлениям. Все считали, что ток, проходя по проводнику, превращает его в магнит, который и заставляет отклоняться стрелку компаса. Ампер высказал гениальную мысль: магнит представляет совокупность токов, движущихся по замкнутым контурам; отклонение стрелки вызвано взаимодействием токов. 25 сентября он демонстрирует новый эффект: два незаряженных параллельных провода, по которым текут противоположно направленные токи, отталкиваются друг от друга (рис.2,а). На каждой из проводников действует сила, зависящая от величины силы тока и расстояния между проводами. При перемене направления одного из токов силы отталкивания сменяются силами притяжения (рис.2,б). В новой серии опытов спирали, по которым пропускали ток, вели себя подобно магнитам.

Для исследования линейных токов Ампер создал так  называемый «станок Ампера». На рис.3 изображен станок Ампера с прямоугольным контуром.

Он содержит прямоугольную проволочную  рамку, укрепленную на двух вертикальных остриях, опирающихся о днища  двух чашек с ртутью. Вследствие ничтожного трения в игольчатых подшипниках  рамка может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, оставаясь  все время включенной в цепь тока при помощи ртутных контактов. Если приблизить к подвижной рамке  другую (неподвижную) рамку с током, то можно наблюдать взаимодействие токов. При достаточном сближении  одного из ребер подвижной рамки  с каким-либо из ребер неподвижной  рамки можно считать, что практически  взаимодействуют только сближенные ребра, и таким образом исследовать  взаимодействие двух прямолинейных  токов. При этом легко обнаружить, что токи, направленные одинаково (параллельные), притягиваются друг к другу, а  токи направлеьдые противоположно (антипараллельные,, отталкиваются друг от друга. Пользуясь таким станком, можно исследовать взаимодействие тока и магнита и двух токов между собой. Если поднести к одному из вертикальных ребер подвижной рамки с током прямой магнит, то рамка поворачивается. При замене северного полюса магнита на южный направление силы изменяется и рамка начинает поворачиваться в обратную сторону. Направление силы изменяется и в том случае, если изменить направление тока в рамке. На рис.4 показан станок Ампера с прямой длинной катушкой (соленоид). Если подносить к концам такого соленоида прямой магнит, то обнаруживается, что один из концов соленоида отталкивается от северного полюса магнита, но притягивается к южному полюсу, в то время как для второго конца соленоида наблюдается обратное. Этот опыт показывает, что соленоид с током ведет себя как прямой магнит. Тот конец соленоида, который обтекается током против часовой стрелки (если смотреть в торец катушки), соответствует северному полюсу магнита (указывающему на север), а конец, обтекаемый током по часовой стрелке, соответствует южному полюсу магнита. Если убрать магнит, то соленоид с током устанавливается так же, как магнитная стрелка компаса, в направлении магнитного меридиана Земли.

     Заменяя в предыдущем опыте магнит другим (неподвижным) соленоидом, можно исследовать  взаимодействие двух соленоидов. При  этом вновь легко убедиться, что  каждый из соленоидов по своим действиям  подобен прямому магниту.

Новую область знаний о явлениях, обусловленных  протеканием токов, Ампер назвал электродинамикой. Открытие явлений  электромагнетизма оказало влияние  не только на развитие науки, но и техники. В том же году Доминик Франсуа  Араго (1786-1853) изобрел электромагнит. В 1821г. Майклу Фарадею (1791-1867) удалось  осуществить вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем  самым лабораторную модель электродвигателя. Ампер предложил использовать отклонение электромагнитной стрелки для передачи сигналов в электромагнитном телеграфе.

     В дальнейшем экспериментально исследовалось  действие на магнитную стрелку электрического тока, протекающего по проводникам  самой различной формы. Во всех случаях  проводники с током оказывали  ориентирующее действие на магнитную  стрелку. Таким образом, можно сделать  следующий вывод: при прохождении  по проводнику электрического тока вокруг проводника возникает магнитное  поле, действующее на помещенную в  это поле магнитную стрелку.

     Непосредственное  измерение действия магнитного поля движущихся электронов на магнитную  стрелку было произведено в 191] г. Абрам Федорович Иоффе (1880-1960). Принципиальная схема его установи.2 приведена  на рис.5. Внутри стеклянной трубки М  был создан высокий вакуум.

 

Электроны, вылетавшие из катода К, который нагревался током от батареи накала Б_м, ускорялись электрическим полем, созданным между катодом К и анодом А батареей Б_а.

В центре О анода трубки имелось небольшое отверстие, через которое проходила часть электронов. Узкий пучок электронов в пространстве за анодом попадал в цилиндр Фарадея Р, соединенный через гальванометр С с положительным полюсом батареи Б_а. В средней части трубки по обе стороны электронного пучка располагались две одинаковые легкие магнитные стрелки N-8, антипараллельные друг другу. Стрелки были скреплены между собой легким кольцом, свободно охватывающим трубку. Вся эта система была подвешена на упругой нити. Применение двух параллельных и противоположно направленных магнитных стрелок (такая система называется астатической) позволило исключить влияние магнитного поля Земли, так как его действия на обе стрелки взаимно уничтожаются. При движении в трубке пучка электронов возникает магнитное поле, которое действовало на обе стрелки так, как показано на рисунке. Угол закручивания нити О, регистрировавшийся по смещению светового зайчика, отраженного от зеркальца 3, позволял судить о силе, с которой магнитное поле электронного пучка действовало на магнитные стрелки. Сила тока в трубке измерялась гальванометром С. Заменив катодную трубку М прямолинейным проводником, по которому шел ток такой же силы, как и в трубке, Иоффе установил, что угол закручивания нити не изменился. Таким образом, было доказано, что свободные электронные пучки по своему магнитному действию эквивалентны токам в проводниках.

Рядом исследований, в числе которых  необходимо отметить опыты Александра Александровича Эйхенвальда (1864-1944), было доказано, что магнитное действие конвекционных токов, образованных движением в пространстве заряженных тел и поляризованных диэлектриков, также подобно магнитному действию токов проводимости. Упрощенная схема  прибора Эйхенвальда приведена  на рис.6. Внутри металлического корпуса  находился сплошной диск 1, который  мог вращаться вокруг оси. Диск был  изготовлен из материала, обладающего  высокими диэлектрическими свойствами. На этот диск по внешней его окружности наклеивался станиолевый ободок, представляющий собой незамкнутое кольцо. Корпус прибора и станиолевый ободок играли роль двух обкладок конденсатора, емкость С которого была предварительно измерена. Конденсатор заряжался от электростатической машины до разности потенциалов А.</> между обкладками. При этом заряд </ обкладки равнялся:

Я = С- Д(»_ (1)

     Диск 1 приводился в быстрое вращение вокруг оси. Сила возникающего при этом конвекционного тока /,,. равна:

I_к = ц п = С■ А<р п ^2)

где и - число оборотов диска за единицу  времени.

О магнитном  поле конвекционного тока можно было судить по его действию на легкую магнитную  стрелку 2, подвешенную на упругой нити внутри защитного металлического кожуха со стеклянным окошечком 4. Угол поворота стрелки определялся по смещению отраженного от зеркальца 3 светового луча, который падал на шкалу (она на рисунке не изображена). Затем диск 1 устанавливался неподвижно, и через отверстие в корпусе прибора к концам станиолевого ободка подводился ток от внешнего источника. Ток проводимости I в ободке подбирался таким, чтобы отклонение магнитной стрелки было равно ее отклонению при конвекционном токе 1_К. Опыты показали, что ^{1 = 1}«. Этим было доказано, что конвекционные токи по своему магнитному действию подобны токам проводимости. Рассмотренные опыты показывают, что вокруг всякого движущегося заряда, будь то электрон, ион или заряженное тело, помимо электрического поля, существует также и магнитное поле. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Следовательно, взаимодействие двух движущихся друг относительно друга электрических зарядов, т.е. взаимодействие между проводниками с током, не исчерпывается их электрическим взаимодействием, так как между ними существует еще и магнитное взаимодействие.